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Farbkonstanz

Smithson & Zaidi:

Colour constancy in context: Roles for localadaptation and levels of reference

Forschungsseminar: Wahrnehmung - Michael Brunner

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Einführung: Farbkonstanz

n Überbegriff: Konstanzphänomene¨ Verschiedene Objekte werden als unverändert, gleich

bleibend, wahrgenommen.

¨ Farbkonstanz (Beleuchtung – Farbe)¨ Größenkonstanz (Entfernung – Größe) ¨ Formkonstanz (Perspektiven – Form)

¨ Weiters: Lichtkonstanz, Distanzkonstanz, Ortkonstanz

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Farbkonstanz

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Farbkonstanz

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Farbkonstanz

Die spektrale Verteilung des natürlichen Lichts ändert sich in Abhängigkeit von Wetter, Tageszeit und geographischen Umfelds.

Bsp.: Sonnenaufgang/-untergang vornehmlich langwelliges (rotes) Licht, zu Mittag überwiegend kurzwelliges (blaues) Licht.

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Farbkonstanz

n Farbkonstanz ermöglicht es uns die wahrgenommenen Farben von Objekten konstant unter unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen zu erfahren.

n Bsp.: Apfel sieht zu Mittag gleich aus wie am Abend.

n Zur leichteren Objektidentifikation

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Verweis: Helligkeitskonstanz

n Helligkeitskonstanz (achromatisch)

n Farbkonstanz (chromatisch)

n Bsp.: Schwarzer Aufdruck auf weißen Papier unter verschiedenen Helligkeitsbedingungen

n Offenbar bezieht das visuelle System das Umfeld in die Berechnung mit ein

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Verweis: Helligkeitskonstanz

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Verweis: Helligkeitskonstanz

n Checker-Shadow-Illusion (Ted Adelson, 1995)

n 3-dimensionales System Beleuchtungsvektor

n Visuelle System stellt unterschiedliche Tricks an, um mit der Situation zurecht zu kommen.¨ Lokaler Kontrast: Umgebung von einem einzelnen

Feld – Relationsbestimmung

¨ Ignorieren des Schattenübergangs, um die Farben bestimmen zu können

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Verweis: Helligkeitskonstanz

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Farbkonstanz

n Voraussetzung: Bandbreite an Wellenlängen

n Zapfen registrieren die Breite der Wellenlängen.

n Ermittlung der ungefähren Zusammensetzung des Beleuchtungslichts

n Jene Beleuchtung wird dann „abgezogen“ um zur „wahren“ Farbe des Objekts zu kommen.

n Die Reflexion bestimmt zum größten Teil die Wahrnehmung der Farbe.

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Farbkonstanz

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Farbkonstanz

n Beleuchtung und Reflektanz lassen sich nicht trennen.

n Trotzdem ist eine Farbkonstanz unter wechselnden Beleuchtungen möglich.

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Farbkonstanz

n Mittelwertsfarbe hängt stark von der Beleuchtung ab.

n Beleuchtungsänderungen geschehen graduell.

n Reflektanzänderungengeschehen abrupt.

n Größere Flächen zur Normalisierung – rezeptive Felder; Vgl. V4

n Relation Zentrums-/Umfeldfarbe erlaubt Farbkonstanz

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Farbkonstanz: Erklärung & Praxis

n Das langsame Blau-Gelb-System vergleicht den Eingang und berechnet eine Farbanpassung.

n Praktische Relevanz der Farbkonstanz:¨Fotografie: Unterschiede durch Aufnahmen

mit Kunstlicht- & Tageslichtfilm

¨Film: Weißabgleich

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Farbkonstanz bei Robotern

n Farbkonstanz ist eine gewünschte Funktion in der Farbsicht von Robotern und Computern

n Retinex Theory¨ Edwin Land, 1971

¨ „Retinex“ = „Retina“ + „Cortex“

n Algorithmen empfangen die RGB-Werte von jedem Pixel des Bildes und versuchen die Reflexion des Punktes zu ermitteln.

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Farbkonstanz

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Literatur

n Backhaus, W., Kliegl , R. & Werner, J. (Hrsg.): Color Vision. Berlin New York: Walter de Gruyter. 1998

n Karnath, H.-O. & Thier, P. (Hrsg.): Neuropsychologie. Berlin Heidelberg: Springer. 2003.

n Müsseler, J. & Prinz, W. (Hrsg.): Allgemeine Psychologie. Heidelberg Berlin: Spektrum Akademischer Verlag. 2002.

n Regan, D.: Human Perception of Objects. Sunderland: SinauerAssociates, Inc. 2000.

n Walsh, V. & Kulikowski, J.: Perceptual constancy. Cambridge: Cambridge University Press. 1998

n Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page)n Color & Vision Research Laboratories (http://cvision.ucsd.edu/)n Fraunhofer Institut Integrierte Publikation und Informationssysteme

(http://www.ipsi.fraunhofer.de/~crueger/farbe/index.html)

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Artikel

nColor constancy in context: Roles for local adaptation and levels of reference

n Hannah Smithson & Qasim Zaidin Journal of Vision (2004) 4, 693-710

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Überblick

n Ziel der Studie: Welche Mechanismen und Prozesse ermöglichen ein Auflösen der Farbzusammenlegung und transformieren die unter der Testbeleuchtung wahrgenommene Farbe hin zur Referenzbeleuchtung?

n Methoden: Test-Reflektanten vor verschiedenen bunt-scheckigen Hintergründen; Beleuchtungsänderungen: Sonnenlicht - Himmelslicht

n Reflektanz: Proportionalitätsfaktor; Zurückgestrahlte Lichtmenge - Intensität

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Einführung

n Stimuli unter Beleuchtung durch direktem Sonnenlicht oder Himmelslicht

n Simple Entscheidung: Rot/Grün – Blau/Gelb

n MacLeod-BoyntonFarbigkeitsachsen zur Identifizierung der Farbgrenzen

n Voruntersuchungen testen alle Vpn bzgl. Farbkoordinaten

n Stimulusvorgabe:1500 ms

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Einführung

n Zur Identifizierung der neuronalen Transformation muss die Farbzusammenlegung unter verschiedenen Beleuchtungen untersucht werden.

n Zapfen-Koordinaten

n Multiplikativer Faktor für jedes Objekt (bei den Zapfen)

n Ives-Transformation

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Einführung

n Klassifikationsgrenzen¨ Teilen den Farbraum in

Rot/Grün und Blau/Geld

¨ Rote Linen (Sonnenlicht), Blaue Linien (Himmelslicht)

n Konstanzindices¨ Relation der Veränderungen

hinsichtlich Beleuchtung und dem achromatischen Setting

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Hypothesen zur Beleuchtungsschätzungn Mittlere Oberflächenreflektanzn Korrelation zwischen Helligkeit und Farbigkeitn Hellste Objekt zur Beleuchungsbestimmungn Anpassung & Adjustierung aufgrund früherer

Beleuchtungenn „Level of Reference“ („Ankern“)

n In dieser Studie nun soll zwischen unterschiedlichen neuronalen Mechanismen zur Beleuchtungsschätzung differenziert werden.

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Experiment 1

n Untersucht wird das Ausmaß der bildhaften Farbkonstanz unter globalen Beleuchtungswechsel

n 2 Beleuchtungsbedingungen (Sonnenlicht & Himmelslicht)

n Hintergrundmuster sind koloriert mit 40 Reflektanz-Spektren, die eine mittlere Reflektanz haben (Vgl. Fig. 1, „+“-Symbole)

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Experiment 1

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Experiment 1

n Die mittlere Farbigkeit einer Szene erlaubt eine gute Schätzung der Zapfenkoordinaten der Beleuchtung.

n Guter Prädiktor für Farbkonstanz (Räumlich erweiterte Adaptation oder höhere Mechanismen, die aus dem Mittel die Beleuchtung ableiten)

n Realistischere Situationen könnten aber „Farbfehler“ enthalten.

Experiment 2

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Experiment 2

n Untersucht werden die Klassifikationsgrenzen unter vier ergänzenden Bedingungen:¨ 2 Beleuchtungen (Sonnenlicht

& Himmelslicht) ¨ 2 mit Farbfehlern versehene

Sets von Reflektanzen als Hintergrund (Fehler hinsichtlich rot/grün & blau/gelb)

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Experiment 2

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Experiment 2

n Leistung aus Experiment 2 kann nicht mittels eines Mechanismus der Farbmittelung erklärt werden.

n Sehr gute Farbkonstanzleistungn Aber andere globale (räumlich ausgeweitete)

Beleuchtungsschätzungen könnten herangezogen werden:

¨ Korrelation zwischen Rötlichkeit & Helligkeit im Bild¨ Hellste Objekt zur Beleuchtungsbestimmung

Experiment 3

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Experiment 3

n Kritische Manipulation: Eine Beleuchtung für den Teststreifen und die andere für den Hintergrund

n Räumliche Kontext liefert daher nur mehr Information über die Hintergrundbeleuchtung

n Jeder globale Mechanismus würde die falsche Beleuchtung annehmen (Niedrige Farbkonstanz)

n Information über die Teststreifenbeleuchtung kann nur über Zuordnung durch nacheinander folgende Durchläufe gewonnen werden.

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Experiment 3

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Experiment 3

n Noch immer recht gute Farbkonstanzn Temporaler Zuordnungsprozess (peripher

oder zentral)n Temporaler Anpassungsprozess mit

langen Zeitkonstanten (wenige Sekunden) würden sich der mittleren Farbigkeit des Teststreifens annähern (Test-Material war ja chromatisch ausbalanciert.).

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Experiment 4

n Wie in Experiment 3 wurden widersprechende Beleuchtungen für den Teststreifen und den Hintergrund gewählt.

n Die Teststreifen wurden aber nun nur mehr für 200 ms gezeigt (Hintergrund: 1500 ms).

n Jeder automatische Adaptationsprozess muss die Information willkürlich aus dem Teststreifen und Hintergrund zuordnen.

n Würde hier hohe Farbkonstanz erreicht, dann muss es einen selektiven Mechanismus geben der nur die Teststreifen einer Beleuchtung zuordnet.

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Experiment 4

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Experiment 4

n Die gemischte Leistung in Experiment 4 kann nicht gänzlich durch automatische neuronale Prozesse, die von einkommenden farblichen Signalen die Beleuchtung abzieht, erklärt werden.

n Widersprüchliche Ergebnissen Um die Eigenschaften der Teststreifensbeleuchtung

separat von der Hintergrundbeleuchtung zuzuordnen ist ein Prozess notwendig, der das farbliche Mittel der Testquadrate bestimmt.Solch ein Mechanismus könnte jener des „Level of Reference“ oder „Anchoring“ („Ankern“) sein, welcher Teststreifen und Hintergrund trennt.

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Zusammenfassung der Ergebnisse

n Unter anhaltender Anpassung zu jeder Beleuchtung ergibt sich ein hoher Grad an Farbkonstanz.

n Selbst unterschiedliche Beleuchtung von Test- Reflektanten und Hintergründen führt zu halbwegs guter Farbkonstanz.

n Auch bei kürzerer Darbietung der Test- Reflektanten bei widersprüchlicher Hintergrundbeleuchtung gibt es Farbkonstanz.

n Informationsaufbewahrende Prozesse über die Testpräsentationen hinweg sind offenbar wesentlich beteiligt.

Räumlich- lokale Anpassung über wenige Sekunden & Adjustierung der Wahrnehmung auf ein Referenzlevel.